艾德思：对葡萄进行补光需要知道的光线光谱与植物光合作用的关系

植物光合作用测定仪分析植物光合与光谱的关系 植物对光谱的敏感性与人眼不同.人眼最敏感的光谱为555nm,介于黄-绿光.对蓝光区与红光区敏感性较差.植物则不然,对于红光光谱最为敏感,对绿光较不敏感,但是敏感性的差异不似人眼如此悬殊.植物对光谱最大的敏感地区为 400`700nm.此区段光谱通常称为光合作用有效能量区域.阳光的能量约有45％位于此段光谱.因此如果以人工光源以补充光量,光源的光谱分布也应该 接近于此范围.光源射出的光子能量因波长而不同.例如波长400nm(蓝光)的能量为700nm(红光)能量的倍.通过植物光合作用测定仪的测定发现,对于光合作用而言,两者波长的作用结果则是相同.蓝色光谱中多余不能作为光合作用的能量则转变为热量.

换言之,植物光合作用速率是由400`700nm中植物所能吸收的光子数目决定,而与各光谱所送出的光子数目并不相关.但是一般人的通识都认为光颜色影响了光合作用速率.植物对所有光谱而言,其敏感性有所不同.此原因来自叶片内色素(pigments)的特殊吸收性.其中以叶绿素最为人所知晓.但是叶绿 素并非对光合作用唯一有用的色素.其它色素也参与光合作用,因此光合作用效率无法仅有考虑叶绿素的吸收光谱.光合作用路径的相异也与颜色不相关.通过植物光合作用测定仪的测定研究发现,光能量由叶片中的叶绿素与胡萝卜素所吸收.能量藉由两种光合系统以固定水分与二氧化碳转变成为葡萄糖与氧气.此过程利用所有可见光的光谱,因此各种颜色的光源对于光合作用的影响几乎没有不同.

通过植物光合作用测定仪等 相关仪器的检测发现,对植物的形态发展与叶片颜色而言,植物应该接收各种平衡的光源.蓝色光源(400`500nm)对植物的分化与气孔的调节十分重要. 如果蓝光不足,远红光的比例太多,茎部将过度成长,而容易造成叶片黄化.红光光谱(655`665nm)能量与远红光光谱(725`735nm)能量的比例在与之间,植物的发育将是正长.但是每种植物对于这些光谱比例的敏感性也不同.在自然阳光下,蓝光能量占有20％.对人工光源而言,并不需 要如此高的比例.对正常发育的植物而言,多数植物只需要400`700nm范围内6％的蓝光能源.在自然阳光下,已有此足够蓝光能量.因此人工光源不需要额外补充更多的蓝光光谱.但是在自然光源不足时(如冬天),人工光源需要增加蓝光能量,否则蓝色光源将成为植物生长的限制影响因子.但是如果不用光源改善 方式,仍是有其它方式可补救此光源不足问题.例如以温度调节或是施用生长荷尔蒙.

光线光谱与植物光合作用的关系

近年来,光质对植物生长与形态的影响引起研究人员的重视.例如日本学界着重探讨LED单色光对组织培养苗的生长性状影响.以色列则以不同颜色的塑料布为披覆材料,探讨对于叶菜与观叶植物生长的影响.

光质与植物发育的关系,最著名的文献为"Photo morphogenesis in Plant'之论述资料,作者为R. E. Kendrick 与G. H. M. Kronenberg (1986年,Martinus Nijhoff Publishers) .其资料如下:

光 谱 范 围                   对 植 物 生 理 的 影 响

280 ` 315nm        对形态与生理过程的影响极小

315 ` 400nnm       叶绿素吸收少,影响光周期效应,阻止茎伸长

400 ` 520nm(蓝)  叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大,对光合作用影响最大

520 ` 610nm        色素的吸收率不高

610 ` 720nm(红)  叶绿素吸收率低,对光合作用与光周期效应有显著影响

720 ` 1000nm       吸收率低,刺激细胞延长,影响开花与种子发芽

＞1000nm          转换成为热量

在2004年7(2)期的Flower Tech刊物,有篇论文讨论光的颜色对光合作用的影响.作者为Harry Stijger先生.论文的子标题表示通常大家认为光的颜色对于光合作用的影响有所不同,事实上在光合作用过程中,光颜色的影响性并无不同,因此使用全光谱最有利于植物的发育.

植物对光谱的敏感性与人眼不同.人眼最敏感的光谱为555nm,介于黄-绿光.对蓝光区与红光区敏感性较差.植物则不然,对于红光光谱最为敏感,对绿光较不敏感,但是敏感性的差异不似人眼如此悬殊.植物对光谱最大的敏感地区为400`700nm.此区段光谱通常称为光合作用有效能量区域.阳光的能量约有45﹪位于此段光谱.因此如果以人工光源以补充光量,光源的光谱分布也应该接近于此范围.

光源射出的光子能量因波长而不同.例如波长400nm(蓝光)的能量为700nm(红光)能量的倍.但是对于光合作用而言,两者波长的作用结果则是相同.蓝色光谱中多余不能作为光合作用的能量则转变为热量.换言之,植物光合作用速率是由400`700nm中植物所能吸收的光子数目决定,而与各光谱所送出的光子数目并不相关.但是一般人的通识都认为光颜色影响了光合作用速率.植物对所有光谱而言,其敏感性有所不同.此原因来自叶片内色素(pigments)的特殊吸收性.其中以叶绿素最为人所知晓.但是叶绿素并非对光合作用唯一有用的色素.其它色素也参与光合作用,因此光合作用效率无法仅有考虑叶绿素的吸收光谱.

光合作用路径的相异也与颜色不相关.光能量由叶片中的叶绿素与胡萝卜素所吸收.能量藉由两种光合系统以固定水分与二氧化碳转变成为葡萄糖与氧气.此过程利用所有可见光的光谱,因此各种颜色的光源对于光合作用的影响几乎没有不同.

有些研究人员认为在橘红光部份有最大的光合作用能力.但是此并不表示植物应该栽培于此种单色光源.对植物的形态发展与叶片颜色而言,植物应该接收各种平衡的光源.

蓝色光源(400`500nm)对植物的分化与气孔的调节十分重要.如果蓝光不足,远红光的比例太多,茎部将过度成长,而容易造成叶片黄化.红光光谱(655`665nm)能量与远红光光谱(725`735nm)能量的比例在与之间,植物的发育将是正长.但是每种植物对于这些光谱比例的敏感性也不同.

在温室内部常常以高压钠灯做为人工光源.以Philips Master SON-TPIA灯源为例,在橘红色光谱区有最高能量.然而在远红外光的能量并不高,因此红光/远红光能量比例大于.但是由于温室仍有自然阳光,因此并未造成植物变短.(如果在生长箱使用此光源,就可能产生影响.)

在自然阳光下,蓝光能量占有20﹪.对人工光源而言,并不需要如此高的比例.对正常发育的植物而言,多数植物只需要400`700nm范围内6﹪的蓝光能源.在自然阳光下,已有此足够蓝光能量.因此人工光源不需要额外补充更多的蓝光光谱.但是在自然光源不足时(如冬天),人工光源需要增加蓝光能量,否则蓝色光源将成为植物生长的限制影响因子.但是如果不用光源改善方式,仍是有其它方式可补救此光源不足问题.例如以温度调节或是施用生长荷尔蒙.

(附记):

由BSE研究室对光源与植物组培养苗发育关系的研究结果,有两点结论与此篇论文相近:

一/光源的颜色并不影响光合作用速率,因此也不影响鲜重或干物重.影响光合作用速率的主要因子仍是光量与温度.

二/光质影响了组培苗的形态,例如组培苗节距长度(苗的高度),叶片叶绿素含量,地下物与地下物的比例等

植物照射的照明方案

植物的生长和开花当然受到大量复杂因素的影响,诸如:肥料的使用,周围环境和土壤的温度,土壤的湿度,空气的湿度,二氧化碳的标准,化学生长调节剂的使用和植物吸收照射的总量.栽培者自然希望可以在数量和质量上控制所有这些影响因素,包括在生长过程中扮演基本角色的光源.因此,本文在后面讨论涉及在温室中生长的因素.

在温室里人造光源在强度和时间上可以用来补充自然光.在温室中人造光源的使用使栽培者提高企业的生产力成为可能,不仅在产量和数量上提高,而且可以在植物具有最佳经济效益的时期及时向市场供应.由于这些因素和公众全年对新鲜蔬菜,水果和花卉需求的增长,可以预期,在将来越来越多的温室将配备植物照射照明设备.

通常,这样一台装置毋庸置疑地将增长利润.然而,为了能在任何特殊的情况下评估成本与利润的平衡,所有和购买照明装置相关的因素都必须被考虑.因此在本文中给出了植物照射装置的成本,包括指导计算每年的总运行成本.

飞利浦对于照明在农业和园艺方面的应用有很多年的经验,并且长期以来已经在实验室中完成了植物照射在专业应用领域的试验.本文试图给出一个关于实现人造光源对植物生长的优点的纲要,特别是在:

a．光源对植物生长的影响;

b．人造光源的应用确保植物的生长;

C．关于光源选择和安排的一般规则.

1．光源对植物生长的影响

所有有生命的生物体在正确的环境下都能在体积和数量两方面增长,就植物而言,是指在适宜的温度,肥料,湿度,照射能源(光源)等等.生长需要持续供应有机能源,植物的形成是一个复杂的化学过程,众所周知的光合作用(二氧化碳的同化作用).植物在二氧化碳和从氧气中释放出来的水蒸汽以及水分的作用下形成了糖分和淀粉.所有植物的生命都依靠光合作用.在这个过程中,照射能源和先前提及的因素扮演了基本的角色.通常可以认为只要提供充足的二氧化碳和水分,随着照射量的增加,二氧化碳的同化作用也会提高到一个确定的界限,这个界限取决于植物的种类.

光源即照射能源被植物的叶子吸收后,在和一种叫叶绿素的化合物的作用下,使得植物变成绿色.值得注意的是植物为正常生长所必需的呼吸和能源合成过程储存充足的照射能源是很重要的.在照射过程中充足的能源是必需的.

光能的提供叶以来自于自然界或是人造光源,也可以是两者共同提供.自然界的来源当然是太阳,然而电灯也可以作为人造的光源.使用人造光源最基本的是它必须包括所有的光谱色,好像太阳光一样,由许多颜色组成,可以形成彩虹.另外,照射的强度也是很重要的.大量植物进行有效的光合作用所需照射能量已经被实验测定了.

除了光合作用,光源还决定了植物的形成.光的颜色这方面是非常重要的.植物在单独的红光下生长变得细小,只有一些小叶子,然而植物在蓝光下生长和在白光下生长一样正常.通常,红光导致植物变长,而蓝光使植物正常生长.

另一个重要的作用是影响植物生长每天所需照射(自然光以及人造光)的持续时间.许多植物种类根据白天的长短来进行反应.可以区分为shotr－day, long－day和day－neutral植物.

如果每天照射的时间超过确定的临界值,Short-day植物就不会开花,菊花就是一个很好的例 子.如果每天照射的时间超过确定的临界值,long一day植物则只会开花,例如风铃草.而day－neutral植物的开花不受照射时间长短的限制,例如番茄.

考虑多方面的结果,在对植物生长和开花的控制中,人造光源起非常重要的辅助作用这一点是非常清楚的了.

2．人造光源的应用确保植物的生长

在夏季在大多数国家太阳为植物生长提供了充足的辐射能源.然而,在世界上的一些地区的某些季节日光照射是非常低的,在普通的季节白天也很短.在这种情况下,人造光源就可以用来补充自然界的日光,补充照射的强度和时间,从而促进植物的生长.应该认识到无论怎样运用人造光源只是复制夏季的一个方面.如果希望在冬季获得和夏季一样的结果,将不仅仅是照射,而且还必须提供合适的温度,湿度和肥料等因素.

我们可以向读者保证人造光源不需要达到像夏季自然界的阳光一样的强度.实践证明,根据植物的种类补充太阳能的一部分,事实上已经足够了.植物照射类型的分类取决于所希望达到的作用:

a．补充自然光的强度;

b．延长自然光照射的时间;

c．完全替代自然光.

2．l补充自然光的强度

如果平均自然光照射的水平很低则照射总量将低于植物生长所需的低限.在这种情况下人造'日光'将有助于植物的生长.栽培者可以补充缺乏的日光,达到:

a．加速植物的生长;

b．增加产量;

c．提高植物的质量.

这些理想的结果,例如黄瓜,番茄和花艺中培养的植物幼体(大了草,非洲堇,秋海棠,大岩桐等等).

2．2延长自然光照射的时间

正如已经提到的,许多植物种类根据白天的长短进行反应.运用人造光源从而延长白天可以影响植物的生长和开花.栽培者可以达到:

a．使植物长期生长;

b．加速植物的生长; 生长,在温室中还有一个优点,可以使植物特别是

c．提前或推迟开花的时间;

d．提高花朵的质量和数量. 这些理想的结果,例如草莓的初期开花,阻止菊花的发芽和加速康乃馨的开花等等.

2．3完全替代自然光

生长室和栽培室都有一个目标.栽培室可以完全控制环境,大多数情况下只是用来进行农业和生物学的研究.生长室可以使植物完全在人造光源下生长,在温室中还有一个优点,可以使植物特别是那些只需要低照射量和高温度的植物快速成长,使它们在具有高价值的季节长成或者是在冬季和一些特别的日期长成.

可以得到诸如促进鳞茎发育,控制马铃薯种子的发芽,促进种子的生长,促进根部的生长等等.

3．关于光源选择和安排的一般规则

灯光的选择和安排主要依赖于以下因素:

a．植物生长特殊目的所需的能源;

b．温室/生长室或生长棚的规模;

c．照明设备的运行成本;

d．特殊装备(例如:防水光源,易移动装置等等).

给植物安排的辐射量应该是尽可能一致的.这就是说最大辐射量和最小辐射量之间的差别应该最小,即照明安排的调用应该在高度(电灯到植物的距离)和电灯的间距之间有一个固定的比率.照明安排给出了满足这些需要的解决方式.照明安排还包括一些设计照明装置的照明工程的资料.设计的基本根据是植物自身的能源需要.众所周知辐射表示为每平方米毫瓦(也就是被辐射地区的mw／m2).

运用这些照明安排时,头脑中应该牢记,在实践过程中辐射量计算的精确程度应该和普通照明的计算相似.

辐射的能源级别和一致性,有可能受到一些因素的影响,例如相同型号的电灯辐射出不一样的能量,个别反射器和镇流器和温室中反射效果的区别.

还应该注意被辐射区域边缘的辐射的能源级别和一致性有可能低于照明安排的相关值.这就需要在辐射边缘进行轻微的辐射以补偿.

这里没有过分强调辐射的级别很大程度上取决于电灯和反射器的清洁状况,因此在整个使用过程中,经常的清洁对维护计划是很重要的.

 

 

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